VirtualLab Fusion 原理简介
VirtualLab Fusion 是德国 LightTrans 公司以场追迹概念开发出来的一款
高速物理光学仿真平台，其集成了从几何光学到物理光学、从近似到严格的各种
麦克斯韦方程求解器，如 LPIA（局部平面界面近似）、LLGA（局部线性光栅近
似）、RK-BPM（龙格库塔光束传输方法）、TEA（薄元近似）、FMM/RCWA（傅里
叶模态发/严格耦合波法）等，能够对如几何透镜、自由曲面、衍射透镜、全息
元件、GRIN 透镜以及光栅和 meta-Grating 等各类元件进行仿真和分析，以及如
Geometric（几何）、SPW（平面波谱）、Fresnel（菲涅尔）、Far Field（远场）、
Rayleigh Sommerfeld（瑞利索墨菲）等，能够对各种自由空间传输进行计算。
同时，VirtualLab Fusion 还提供了三种傅里变换方法，包括 FFT（快速傅里叶
变换）、Semi-Analytical FT（半解析傅里叶变换）以及 Pointwise FT（逐点
傅里叶变换）。对于包含各类光学元件的整个复杂的光学系统，通过非序列追迹
功能，将所需的求解器连接起来，并通过选择合适的傅里叶变换方法，以在空间
域或者空间频率域进行光场传输计算，从而能够在保证计算精度的情况下，更快
的完成整个系统的仿真和分析，以实现高速物理光学仿真。在整个仿真过程中，
会考虑各种物理光学效应，如干涉、衍射、像差、偏振、相干以及矢量效应等。
功能特性
作为全球唯一一款基于场追迹概念来开发的高速物理光学仿真软件，
VirtualLab Fusion 为用户提供了光学建模和仿真所需的各种功能和特性：
•光线追迹和光场追迹，两者可以一键切换；
•序列和非序追迹；
•用户可自定义选择从几何到物理、从近似到严格各种光学建模技术；
•用户可自定义选择 FFT（快速傅里叶变换）、Semi-Analytical FT（半解
析傅里叶变换）以及 Pointwise FT（逐点傅里叶变换）；
•丰富的库系统，包括光源库、元件库、界面库、介质库、材料库、探测
器库等九大库系统，能够快速的完成系统的建模；
•参数扫描和参数优化，可对系统进行公差分析以及优化；
•多软件接口，如 Macleod、LASCAD、ZEMAX、JCM Suit 等；
•可导出多种格式结构，如 GDSII、STL、IGES、ASCII、Bitmap 等；
•跨平台联合仿真和优化，如 MATLAB、OptiSlang、Python 等；
•基于 C#语言进行二次开发；
应用领域
VirtualLab Fusion 能够实现高速物理光学的建模和仿真，已广泛的应用于高
校、研究所以及各知名光学企业。其主要应用领域如下：
1. 光束整形
VirtualLab Fusion 能够使用自由曲面，衍射光束分束器与图案生成器，扩
散器和常规阵列微光学元件（包括但不局限于微透镜阵列）实现光束整形。
1)折射光束整形
2)衍射光束整形
3)扩散片
4)微透镜阵列和微结构单元阵列
2. 光学测量
通过高速物理光学，对干涉仪、光谱仪和传统式或结构照明式显微镜的成
像质量与分辨率限制进行全面的研究。
1)干涉仪
2)显微镜
3)单色仪
4)光谱仪
3. 微纳光栅
通过高速物理光学，可以对 1D 和 2D 微纳光栅进行严格的电磁分析，获得
相应的近场、衍射级次以及衍射效应，同时能够对光栅进行优化，以获得所需
要光栅结构参数并集成到整个光学系统中进行分析。
1)1D 和 2D 介质光栅
2)1D 和 2D 界面光栅
3)衍射级次计算、偏振分析以及内部场计算
4)优化
4. 成像系统
通过高速物理光学，实现透镜系统建模。提供对包含鬼像和部分相干性的
系统的可靠的 PSF / MTF 评估。系统中可以包含光栅，全息光学元件以及衍射透
镜。
1)衍射透镜
2)高级 PSF/MTF
3)鬼像
4)包含光栅的成像系统
5. 激光系统
高速物理光学可以有效地实现对激光光源、衍射、干涉、偏振的建模，并
且可以使用任意感兴趣的光束参数。
1)激光传输
2)扫描系统
3)飞秒脉冲
4)激光晶体
6. 虚拟和混合现实
针对 AR,VR 以及 MR 应用，VirtualLab Fusion 为用户提供了多通道波导成像
系统的非序列建模技术，建模过程中能够对波前差、能流以及 PSF/MTF 进行评
估。
光波导全视场角光线追迹
